The Effect of Noble Metal Promoters on Hydrotalcite-Based Nickel-Cobalt Catalysts for Syngas Conditioning for Advanced Biofuels

Abstract

Konvertering av biomasse til drivstoff ved hjelp av gassifisering og Fischer-Tropsch hydrokarbonsyntese er et fremtredende og bærekraftig alternativ til drivstoffproduksjon fra fossile kilder. Imidlertid utgjør dannelse av tjære under gassifiseringsprosessen en betydelig utfordring. Gasskondisjoneringsteknikker benyttes for å omdanne tjære til syngaskomponenter som egner seg for Fischer-Tropsch syntese. Denne avhandlingen har som mål å forbedre gasskondisjoneringsprosessen ved å syntetisere en serie edelmetallpromoterte Ni-Co-katalysatorer derivert fra hydrotalkittlignende materialer, med spesiell vekt på dampreformering. Basiskatalysatoren bestående av 20-20 vekt% Ni-Co på en hydrotalkittlignende støtte ble syntetisert ved samutfelling, mens edelmetallpromoteringene (1.0 vekt% Pt, Pd, og Rh) ble oppnådd ved «insipient wettness impregiation». De fysikalske og kjemiske egenskapene til katalysatorene ble evaluert ved bruk av teknikker som N2-fysisorpsjon, H2-kjemisorpsjon, temperaturprogrammert reduksjon, røntgendiffraksjon og induktivt koblet plasma massespektrometri. Deretter ble dampreformeringseksperimenter utført på de edelmetall-promoterte katalysatorene, både med og uten en tjæremodell bestående av 75% toluen og 25% 1-metyl-naftalen, og sammenlignet med den upro moterte katalysatoren. Overflatene til katalysatorene ble analysert etter dampreformering for å identifisere deaktiveringsmekanismer ved hjelp av skannende elektronmikroskopi (SEM) og energidispersiv røntgenspektroskopi (EDS).

Karakteriseringsresultatene viste økning i overflateareal og spredning med edelmetallpromotering, i tillegg til en forskyvning mot lavere temperaturer i reduksjonsprofilene. Dampreformeringseksperimentene uten tjæremodellen viste mindre deaktivering, mens den 1.0 vekt% rhodiumpromoterte katalysatoren viste høy aktivitet. Platina- og palladiumpromoterte katalysatorer viste en svak forbedring i katalytisk aktivitet sammenlignet med den upromoterte katalysatoren. Innføringen av tjæremodellen under dampreformeringseksperimentene hadde en betydelig innvirkning på katalysatorenes aktivitet, selektivitet og stabilitet. Tilstedeværelsen av tjæremodellen førte til redusert aktivitet og deaktivering av katalysatoren på grunn av tjæreabsorpsjon på aktive områder og dannelse av koks. Den viktigste observerte deaktiveringsmekanismen ble tildelt innkapsulerende karbon, som ble påvist gjennom fravær av sinterpartikler og diameteren på karbon filamentene som ble observert i analysen ved skannende elektronmikroskopi og energidispersiv røntgenspektroskopi.

Videre ble det utført en SEM- og EDS-analyse på de upromoterte 20-20 vekt% Ni-Co katalysatorene derivert fra hydrotalkittlignende forløpere, som ble testet under ulike forhold i dampreformerings-eksperimenter med toluen som tjæremodell. Målet med analysen var å finne informasjon om deaktiveringsmekanismer som er til stede i katalysatorene, bestemme Ni-Co-partikkelstørrelse og estimere diameteren på karbon filamentene.

Det er behov for ytterligere undersøkelser for å bekrefte hvilke deaktiveringsmekanismer som er til stede i katalysatorene. Den 1.0 vekt% Rh 20-20 vekt% Ni-Co-katalysatoren viste høy innledende aktivitet, men rask deaktivering når tjæremodellen ble brukt, noe som gjør den egnet for dampreformering med in situ-regenerering.

Converting biomass to fuel with gasification and Fischer-Tropsch hydrocarbon synthesis is a prominent and sustainable alternative to fuel production from fossil sources. However, the generation of tars during the gasification process poses a significant challenge. Gas conditioning techniques are employed to convert tars into syngas components suitable for Fischer-Tropsch synthesis. This thesis aims to enhance the gas conditioning process by synthesizing a series of noble metal-promoted Ni-Co catalysts derived from hydrotalcite-like materials, mainly focusing on steam reforming. The base catalyst composed of 20-20 wt% Ni-Co on hydrotalcite-like support was synthesized through co-precipitation, while noble metal promotions (1.0 wt% Pt, Pd, and Rh) were achieved via incipient wetness impregnation. The physicochemical properties of the catalysts were evaluated using techniques such as N2 physisorption, H2 chemisorption, temperature programmed reduction, X-ray diffraction, and inductively coupled plasma mass spectrometry. Subsequently, steam reforming experiments were conducted on the noble metal promoted catalysts, both with and without a tar model consisting of 75% toluene and 25% 1-methylnaphthalene, and compared with the unpromoted catalyst. The catalysts’ surfaces were analyzed after steam reforming to identify deactivation mechanisms using scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS).

Characterization results revealed increased surface area and dispersion with noble metal promotion, accompanied by a shift towards lower temperatures in reduction profiles. The steam reforming experiments in the absence of the tar model exhibited minor deactivation, while the 1.0 wt% rhodium promoted catalyst exhibited high activity. The platinum and palladium-promoted catalysts displayed slight improvements in catalytic activity compared to the unpromoted catalyst. The introduction of the tar model during steam reforming experiments substantially impacted the catalysts’ activity, selectivity, and stability. The presence of the tar model led to reduced activity and catalyst deactivation due to tar adsorption on active sites and coke formation. The main observed deactivation mechanism was attributed to the encapsulating carbon, as evidenced by the absence of sintered particles and the diameter of carbon filaments observed in the scanning electron microscopy and energy-dispersive X-ray spectroscopy analysis.

Furthermore, a SEM and EDS analysis was conducted on unpromoted 20-20 wt% Ni-Co catalysts derived from hydrotalcite-like precursors operated under different conditions during steam reforming experiments with toluene as the tar model. The objective of the analysis was to provide information on the deactivation mechanisms present, determine Ni-Co particle size, and estimate carbon filament diameters.

Continued investigations are needed to confirm which deactivation mechanisms are present in the catalysts precisely. The 1.0 wt% Rh 20-20 wt% Ni-Co catalyst exhibited high initial activity but rapid deactivation in the presence of the tar model, making it suitable for steam reforming with in situ regeneration.